Tính kích thước van an toàn

Nghiên cứu chuyên sâu về quy trình tính kích thước cho nhiều ứng dụng, bao gồm phương trình tính kích thước cho AD Merkblatt, DIN, TRD, ASME, API, BS6759 và các tiêu chuẩn khác. Đề cập các vấn đề phức tạp hơn như dòng chảy hai pha và quá nhiệt.

Giới thiệu tính kích thước van an toàn

Giới thiệu tính kích thước van an toàn

Van an toàn luôn phải được tính kích thước và có khả năng xả bất kỳ nguồn hơi nước nào để áp suất trong thiết bị được bảo vệ không thể vượt quá áp suất tích lũy tối đa cho phép (MAAP). Điều này không chỉ có nghĩa là van phải được định vị đúng, mà còn được cài đặt đúng. Van an toàn sau đó cũng phải được tính kích thước chính xác, cho phép nó dẫn lượng hơi nước yêu cầu ở áp suất yêu cầu trong tất cả các điều kiện lỗi có thể. Khi loại van an toàn đã được xác định, cùng với áp suất cài đặt và vị trí trong hệ thống, cần thiết phải tính dung lượng xả yêu cầu của van. Khi đã biết, diện tích lỗ và kích thước danh nghĩa có thể được xác định bằng thông số kỹ thuật nhà sản xuất. Để xác định dung lượng tối đa yêu cầu, dòng chảy tiềm năng qua tất cả các nhánh liên quan, phía trước van, cần được xem xét. Trong các ứng dụng có nhiều hơn một đường dẫn dòng chảy khả thi, việc tính kích thước van an toàn trở nên phức tạp hơn, vì có thể có nhiều phương pháp thay thế để xác định kích thước. Nơi có nhiều hơn một đường dẫn dòng chảy tiềm năng, các giải pháp thay thế sau nên được xem xét:

  • Van an toàn có thể được tính kích thước dựa trên dòng chảy tối đa trong đường dẫn dòng chảy có lượng dòng chảy lớn nhất.
  • Van an toàn có thể được tính kích thước để xả dòng chảy từ các đường dẫn dòng chảy kết hợp. Lựa chọn này được xác định bởi nguy cơ hai hoặc nhiều thiết bị bị lỗi đồng thời. Nếu có bất kỳ cơ hội nhỏ nào điều này có thể xảy ra, van phải được tính kích thước để cho phép dòng chảy kết hợp của các thiết bị bị lỗi được xả. Tuy nhiên, nơi nguy cơ không đáng kể, lợi thế chi phí có thể quy định rằng van chỉ nên được tính kích thước dựa trên lưu lượng lỗi cao nhất. Lựa chọn phương pháp cuối cùng thuộc về công ty chịu trách nhiệm bảo hiểm nhà máy. Ví dụ, xem xét bình áp suất và hệ thống bơm-bẫy tự động (APT) như hiển thị trong Hình 9.4.1. Tình huống khó xảy ra là cả APT và van giảm áp (PRV ‘A’) có thể bị lỗi đồng thời. Dung lượng xả van an toàn ‘A’ sẽ là tải lỗi của PRV lớn nhất, hoặc thay vào đó, tải lỗi kết hợp của cả APT và PRV ‘A’. Tài liệu này khuyến nghị rằng nơi có nhiều đường dẫn dòng chảy, bất kỳ van an toàn liên quan nào phải, mọi lúc, được tính kích thước dựa trên khả năng rằng các van điều khiển áp suất phía trước liên quan có thể bị lỗi đồng thời. Figure 9.4.1 - Tính kích thước van an toàn Tìm lưu lượng lỗi Để xác định lưu lượng lỗi qua PRV hoặc bất kỳ van hoặc lỗ nào, cần xem xét:
  • Áp suất lỗi tiềm năng - nên lấy là áp suất cài đặt của van an toàn phía trước tương ứng
  • Áp suất giảm của van an toàn đang được tính kích thước
  • Dung lượng mở đầy đủ (KVS) của van điều khiển phía trước, xem Phương trình 3.21.2 Ví dụ 9.4.1 Xem xét sắp xếp PRV trong Hình 9.4.2. Figure 9.4.2 - Tính kích thước van an toàn Áp suất cung cấp của hệ thống này (Hình 9.4.2) được giới hạn bởi van an toàn phía trước có áp suất cài đặt 11.6 bar g. Lưu lượng lỗi qua PRV có thể được xác định bằng phương trình lưu lượng khối hơi (Phương trình 3.21.2): Example 9 4 1a - Tính kích thước van an toàn Trong ví dụ này: Example 9 4 1b - Tính kích thước van an toàn Do đó, van an toàn sẽ được tính kích thước để dẫn ít nhất 953 kg/h khi cài đặt ở 4 bar g. Khi tải lỗi đã được xác định, thường đủ để tính kích thước van an toàn bằng biểu đồ dung lượng nhà sản xuất. Ví dụ điển hình của biểu đồ dung lượng được hiển thị trong Hình 9.4.3. Bằng cách biết áp suất cài đặt và dung lượng xả yêu cầu, có thể chọn kích thước danh nghĩa phù hợp. Trong ví dụ này, áp suất cài đặt là 4 bar g và lưu lượng lỗi là 953 kg/h. Cần van an toàn DN32/50 với dung lượng 1 284 kg/h. Figure 9.4.3 - Tính kích thước van an toàn Nơi biểu đồ tính kích thước không có sẵn hoặc không đáp ứng chất lỏng hoặc điều kiện cụ thể, như áp suất ngược, độ nhớt cao hoặc dòng chảy hai pha, có thể cần tính diện tích lỗ tối thiểu yêu cầu. Phương pháp thực hiện được trình bày trong các tiêu chuẩn quản lý phù hợp, như:
  • ASME/API RP 520
  • EN ISO 4126 Các phương pháp trình bày trong các tiêu chuẩn này dựa trên hệ số xả, là tỷ lệ dung lượng đo được trên dung lượng lý thuyết của đầu phun có diện tích dòng chảy tương đương. Equation 9.4 1 gcm71 - Tính kích thước van an toàn Hệ số xả Hệ số xả cụ thể cho bất kỳ phạm vi van an toàn cụ thể nào và sẽ được nhà sản xuất phê duyệt. Nếu van được phê duyệt độc lập, nó được cấp ‘hệ số xả chứng nhận’. Con số này thường được giảm bằng cách nhân thêm hệ số an toàn 0.9, để cho hệ số xả giảm. Hệ số xả giảm được gọi là Kdr = Kd x 0.9 Khi sử dụng phương pháp tiêu chuẩn để tính diện tích lỗ yêu cầu, các điểm sau có thể cần được xem xét:
  • Dòng chảy tới hạn và dưới tới hạn - dòng chảy khí hoặc hơi qua lỗ, như diện tích dòng chảy van an toàn, tăng khi áp suất phía sau giảm. Điều này đúng cho đến khi đạt áp suất tới hạn, và dòng chảy tới hạn đạt được. Tại thời điểm này, bất kỳ giảm áp suất phía sau thêm sẽ không dẫn đến tăng dòng chảy thêm. Mối quan hệ (gọi là tỷ lệ áp suất tới hạn) tồn tại giữa áp suất tới hạn và áp suất giảm thực tế, và, cho khí chảy qua van an toàn, được hiển thị bởi Phương trình 9.4.2. Equation 9.4 2 gcm71 - Tính kích thước van an toàn Đối với khí, có tính chất tương tự khí lý tưởng, ‘k’ là tỷ lệ nhiệt dung đẳng áp (cp) trên đẳng tích (cv), tức là cp : cv. ‘k’ luôn lớn hơn 1, và thường từ 1 đến 1.4 (xem Bảng 9.4.8). Đối với hơi nước, mặc dù ‘k’ là hệ số đẳng entropy, nó thực sự không phải là tỷ lệ cp : cv. Xấp xỉ cho hơi bão hòa, ‘k’ có thể lấy là 1.135, và hơi quá nhiệt, là 1.3. Hướng dẫn, cho hơi bão hòa, áp suất tới hạn được lấy là 58% áp suất đầu vào tích lũy tính bằng trị tuyệt đối.
  • Quá áp - Trước khi tính kích thước, quá áp thiết kế của van phải được xác định. Không được phép tính dung lượng van ở quááp thấp hơn quá áp mà hệ số xả được xác định. Tuy nhiên, được phép sử dụng quááp cao hơn (xem Bảng 9.2.1, Mô-đun 9.2, cho giá trị quááp điển hình). Đối với van loại DIN nâng đầy (Vollhub), nâng thiết kế phải đạt được ở 5% quááp, nhưng cho mục đích tính kích thước, giá trị quááp 10% có thể được sử dụng.

Phương trình tính kích thước van an toàn thiết kế theo các tiêu chuẩn sau

Phương trình tính kích thước van an toàn thiết kế theo các tiêu chuẩn sau

Các phương pháp sau được sử dụng để tính diện tích lỗ tối thiểu yêu cầu cho van an toàn, như đề cập trong các tiêu chuẩn quốc gia phổ biến nhất. Tiêu chuẩn - ASME/API RP 520 Các công thức sau được sử dụng để tính diện tích lỗ tối thiểu yêu cầu cho van an toàn theo tiêu chuẩn ASME và hướng dẫn API RP 520. Sử dụng Phương trình 9.4.3 để tính diện tích lỗ tối thiểu yêu cầu cho van an toàn sử dụng trong ứng dụng hơi nước:

Learn about steam

Ví dụ 9.4.2 Tính diện tích xả hiệu dụng tối thiểu yêu cầu cho van an toàn thiết kế theo

ASME/API RP520.

Learn about steam

Ví dụ 9.4.3 Tính diện tích xả hiệu dụng tối thiểu yêu cầu cho van an toàn thiết kế theo ASME/API RP520.

Learn about steam

Hệ số điều chỉnh quá nhiệt cho ASME/API RP 520

Hệ số điều chỉnh quá nhiệt cho ASME/API RP 520

Bảng 9.4.1 Hệ số điều chỉnh quá nhiệt (KSH) sử dụng trong ASME/API RP 520 (đơn vị Imperial)

Áp suất cài đặt (psi g) Nhiệt độ (°F)
300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200
15 1 0.98 0.93 0.88 0.84 0.8 0.77 0.74 0.72 0.7
20 1 0.98 0.93 0.88 0.84 0.8 0.77 0.74 0.72 0.7
40 1 0.99 0.93 0.88 0.84 0.81 0.77 0.74 0.72 0.7
60 1 0.99 0.93 0.88 0.84 0.81 0.77 0.75 0.72 0.7
80 1 0.99 0.93 0.88 0.84 0.81 0.77 0.75 0.72 0.7
100 1 0.99 0.94 0.89 0.84 0.81 0.77 0.75 0.72 0.7
120 1 0.99 0.94 0.89 0.84 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
140 1 0.99 0.94 0.89 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
160 1 0.99 0.94 0.89 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
180 1 0.99 0.94 0.89 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
200 1 0.99 0.95 0.89 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
220 1 0.99 0.95 0.89 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
240 1 0.95 0.9 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
260 1 0.95 0.9 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
280 1 0.96 0.9 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
300 1 0.96 0.9 0.85 0.81 0.78 0.75 0.72 0.7
350 1 0.96 0.9 0.86 0.82 0.78 0.75 0.72 0.7
400 1 0.96 0.91 0.86 0.82 0.78 0.75 0.72 0.7
500 1 0.96 0.92 0.86 0.82 0.78 0.75 0.73 0.7
600 1 0.97 0.92 0.87 0.82 0.79 0.75 0.73 0.7
800 1 0.95 0.88 0.83 0.79 0.76 0.73 0.7
1 000 1 0.96 0.89 0.84 0.78 0.76 0.73 0.71
1 250 1 0.97 0.91 0.85 0.8 0.77 0.74 0.71
1 500 1 1 0.93 0.86 0.81 0.77 0.74 0.71

Tiêu chuẩn - EN ISO 4126: 2004 Sử dụng Phương trình 9.4.4 để tính diện tích lỗ tối thiểu yêu cầu cho van an toàn sử dụng trên hơi bão hòa khô (độ khô > 0.98) và hơi quá nhiệt ở dòng chảy tới hạn:

Learn about steam

Sử dụng Phương trình 9.4.5 để tính diện tích lỗ tối thiểu yêu cầu cho van an toàn sử dụng trong ứng dụng hơi nước ướt ở dòng chảy tới hạn. Lưu ý: hơi nước ướt phải có độ khô lớn hơn 0.9:

Learn about steam

Ví dụ 9.4.4 Tính kích thước diện tích dòng chảy tối thiểu yêu cầu cho van an toàn thiết kế theo EN ISO 4126 để giảm quá áp hệ thống hơi quá nhiệt.

Learn about steam

Bảng 9.4.2 Giá trị C theo hàm ‘k’ cho ứng dụng hơi nước, không khí và khí theo tiêu chuẩn EN ISO 4126. Các giá trị đẳng entropy, ‘k’ được tích hợp trong tiêu chuẩn ISO 4126: (Phần 7). Hoặc, giá trị ‘k’ cho hơi nước có thể được lấy từ bảng hơi nước website Spirax Sarco.

k Cg
0.4 1.647
0.41 1.665
0.42 1.682
0.43 1.7
0.44 1.717
0.45 1.733
0.46 1.75
0.47 1.766
0.48 1.782
0.49 1.798
0.5 1.813
0.51 1.829
0.52 1.844
0.53 1.858
0.54 1.873
0.55 1.888
0.56 1.902
0.57 1.916
0.58 1.93
0.59 1.944
0.6 1.957
0.61 1.971
0.62 1.984
0.63 1.997
0.64 2.01
0.65 2.023
0.66 2.035
0.67 2.048
0.68 2.06
0.69 2.072
0.7 2.084
0.71 2.096
0.72 2.108
0.73 2.12
0.74 2.131
0.75 2.143
0.76 2.154
0.77 2.165
0.78 2.17
0.79 2.187
0.8 2.198
0.81 2.209
0.82 2.219
0.83 2.23
0.84 2.24
0.85 2.251
0.86 2.261
0.87 2.271
0.88 2.281
0.89 2.291
0.9 2.301
0.91 2.311
0.92 2.32
0.93 2.33
0.94 2.339
0.95 2.349
0.96 2.358
0.97 2.367
0.98 2.376
0.99 2.386
1 2.401
1.01 2.404
1.02 2.412
1.03 2.421
1.04 2.43
1.05 2.439
1.06 2.447
1.07 2.456
1.08 2.464
1.09 2.472
1.1 2.481
1.11 2.489
1.12 2.497
1.13 2.505
1.14 2.513
1.15 2.521
1.16 2.529
1.17 2.537
1.18 2.545
1.19 2.553
1.2 2.56
1.21 2.568
1.22 2.57
1.23 2.583
1.24 2.591
1.25 2.598
1.26 2.605
1.27 2.613
1.28 2.62
1.29 2.627
1.3 2.634
1.31 2.641
1.32 2.649
1.33 2.656
1.34 2.663
1.35 2.669
1.36 2.676
1.37 2.683
1.38 2.69
1.39 2.697
1.4 2.703
1.41 2.71
1.42 2.717
1.43 2.723
1.44 2.73
1.45 2.736
1.46 2.743
1.47 2.749
1.48 2.755
1.49 2.762
1.5 2.768
1.51 2.774
1.52 2.78
1.53 2.786
1.54 2.793
1.55 2.799
1.56 2.805
1.57 2.811
1.58 2.817
1.59 2.823
1.6 2.829
1.61 2.843
1.62 2.84
1.63 2.846
1.64 2.852
1.65 2.858
1.66 2.863
1.67 2.869
1.68 2.874
1.69 2.88
1.7 2.886
1.71 2.891
1.72 2.897
1.73 2.902
1.74 2.908
1.75 2.913
1.76 2.918
1.77 2.924
1.78 2.929
1.79 2.934
1.8 2.94
1.81 2.945
1.82 2.95
1.83 2.955
1.84 2.96
1.85 2.965
1.86 2.971
1.87 2.976
1.88 2.981
1.89 2.986
1.9 2.991
1.91 2.996
1.92 3.001
1.93 3.006
1.94 3.01
1.95 3.015
1.96 3.02
1.97 3.025
1.98 3.03
1.99 3.034
2 3.039
2.01 3.044
2.02 3.049
2.03 3.053
2.04 3.058
2.05 3.063
2.06 3.067
2.07 3.072
2.08 3.076
2.09 3.081
2.1 3.085
2.11 3.09
2.12 3.094
2.13 3.099
2.14 3.103
2.15 3.107
2.16 3.112
2.17 3.116
2.18 3.121
2.19 3.125
2.2 3.129